“L”型地面鉆井在塔山煤礦中的應(yīng)用

王曉民

（中國煤炭地質(zhì)總局 第二水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著煤炭開采工作的進(jìn)行，采空區(qū)內(nèi)逐漸涌出高濃度瓦斯，部分瓦斯從工作面內(nèi)的回風(fēng)上隅角位置涌出，導(dǎo)致回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛冗^高，對之后的煤炭回采造成威脅[1-3]。綜采工作面瓦斯超限問題是一個(gè)長期困擾我國煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵難題，在塔山礦區(qū)現(xiàn)有的瓦斯治理技術(shù)研究基礎(chǔ)上，采用了L 型鉆井對工作區(qū)頂部縫隙處的瓦斯進(jìn)行抽采處理[4]，為解決高強(qiáng)度開采情況下瓦斯涌出濃度過大提供了可行方案，消除工作面生產(chǎn)中的瓦斯隱患，為礦井后續(xù)瓦斯治理提供借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大同礦區(qū)位于山西陸臺(tái)北部，北靠內(nèi)蒙古陸，東部與大同斷陷盆地相鄰，呂梁山脈西石山為礦區(qū)西界，南部與寧武煤田相鄰。

大同煤盆地為東南陡斜、西北寬緩的北東向復(fù)式不規(guī)則向斜盆地。受地層構(gòu)造影響，礦區(qū)軸心發(fā)生了一定遷移，其中北東向?yàn)橹饕厔?。受老阿爾卑斯階段和印支事件的影響，發(fā)生了強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，導(dǎo)致研究區(qū)東部地層陡峭、直立。伴隨著相應(yīng)的巖漿活動(dòng)，東部及東南部分地層構(gòu)造復(fù)雜，斷裂較多；北部地層構(gòu)造則相對簡單，斷層較少，而以單一向斜為主，總體來看大同礦區(qū)的地層構(gòu)造較簡單[5-6]。根據(jù)地面勘探鉆孔魏35、A1、T1003、魏601、挖12、T1001、T1002、魏501 與井下探頂 鉆 孔21201 ～21242、21031、21033、21040、21041 資料，試驗(yàn)對象主采煤層3-5 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度為7.25 ～20.19 m，平均11.17 m，純煤厚為4.30 ～19.34 m，平均10.02 m，含夾矸2 ～10 層，夾矸厚度0.20 ～6.80 m，平均1.15 m，單層厚度0.05 ～1.00 m。夾矸巖性為灰褐色高嶺巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖，泥巖、局部夾深灰色粉砂巖。

影響研究區(qū)煤田構(gòu)造形態(tài)主要有以下方面。

（1） 內(nèi)蒙古陸，構(gòu)成了整個(gè)華北石炭二疊系煤田的北部邊界。

（2） 受加里東運(yùn)動(dòng)的影響，西石山一直處于上升隆起，構(gòu)成了研究區(qū)的西界。

（3） 洪濤山背斜呈北西50°，橫亙在大同煤田的南東側(cè)。

（4） 東界大同—山陰斷裂受喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)影響，斷距大，延展長（超過110 km），構(gòu)成了研究區(qū)的南東及東部邊界（圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造形態(tài)示意Fig.1 The structural form of the study area

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝

2.1 L 型鉆井設(shè)計(jì)軌跡

綜合分析礦區(qū)地質(zhì)情況后，選擇在8216 工作面一個(gè)合適的地點(diǎn)開孔施工，向下鉆一段直井（孔深約110 m）。

由直井段落點(diǎn)向靶域方向（8214 工作面內(nèi)）造斜施工一弧形孔，弧形孔落點(diǎn)至8214 面3-5 號(hào)煤層頂板上，距煤層5 倍采高（+1 073.3 m），平面位置內(nèi)錯(cuò)8214 面回風(fēng)巷30 m 左右。

由弧形孔落點(diǎn)向8214 面工作面回采方向施工一近水平孔，水平孔方位角306°（與風(fēng)巷平行），終孔點(diǎn)距3-5 號(hào)煤層頂板3 倍采高（+1 046.0 m），水平段長度不小于200 m（圖2）。

圖2 鉆孔空間投影Fig.2 Spatial projection of borehole

2.2 鉆井工藝

鉆孔全孔使用GZ-2000 水源鉆機(jī)采用優(yōu)質(zhì)化學(xué)泥漿牙輪鉆頭鉆進(jìn)及牙輪組合鉆頭擴(kuò)孔成孔。L型井采用3 開井身結(jié)構(gòu)，一開采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至基巖面下60 m，下入φ339.7 mm×9.65 mm表層套管、固井候凝；二開采用φ216 mm 鉆頭導(dǎo)向，φ311 mm 鉆頭鉆至480 m，下入φ244.5 mm×8.94 mm 技術(shù)套管后固井候凝；三開采用φ216 mm 鉆頭鉆至B 靶點(diǎn)866 m 完鉆，下入φ168.28 mm×8.94 mm 技術(shù)套管；孔底200 m 為裸孔。環(huán)狀間隙內(nèi)灌注滿P.O42.5 比重1.75 g/cm3水泥漿。鉆孔結(jié)構(gòu)及下入孔內(nèi)管材見表1，井深結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)及下入孔內(nèi)管材Table 1 Borehole structure and pipes in borehole

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Wellbore structure

2.3 鉆進(jìn)方法

0～60 m 采用φ444.5 mm 三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，使用φ203 mm 鉆鋌+φ178 mm 鉆鋌+φ159 mm鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。

60～480 m 采用φ311 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)，使用φ172 mm 螺桿+φ159 mm 鉆鋌+φ127 mm 鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。

480～866.50 m 采用φ215.9 mm 三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，使用φ172 mm 螺桿+φ155 mm 無磁鉆鋌+φ121 mm 鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。以上鉆具組合在加壓鉆進(jìn)及擴(kuò)孔時(shí)，利用不超過鉆鋌總重量的30%～40%加壓。

2.4 鉆井技術(shù)參數(shù)

鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、泵量等統(tǒng)稱為鉆井工藝參數(shù)。施工中采用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)工藝，參數(shù)為中鉆壓、大排量、中低轉(zhuǎn)速。

此次選取三牙輪鉆頭和螺桿鉆具鉆頭進(jìn)行施工，牙輪鉆頭采用的鉆壓數(shù)值不超過鉆鋌重量的70%，在開孔、換層、地層情況異常時(shí)，鉆壓、轉(zhuǎn)速需減?。ū?）。

表2 正常鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of normal drilling

3 成井工藝

3.1 下管

該井設(shè)計(jì)分3 次下管分別為0～60 m 下入一級(jí)井管中339.7 mm×9.65 mm 成孔管選用材質(zhì)J55 石油套管。0 ～480 m 下入二級(jí)井管φ244.5 mm×8.94 mm 成孔管選用材質(zhì)N80 石油鋼管。450～660 m 下入三級(jí)井管φ168.28 mm×8.94 mm 成孔管選用材質(zhì)N80 石油套管。套管采用升降機(jī)提吊、吊卡夾持進(jìn)行下套管。套管之間采用絲扣連接。

在下管前認(rèn)真檢查了動(dòng)力設(shè)備和輔助設(shè)備的完好情況，保證設(shè)備在下管過程中性能良好，準(zhǔn)備好水泥固井所需要材料、設(shè)備、排污場所，調(diào)整好泥漿性能。下管前進(jìn)行充分圓孔，井管探井順利后才進(jìn)行下管工序。下管時(shí)應(yīng)把井管編號(hào)、丈量、計(jì)算總長度，依次記錄下入孔內(nèi)套管的編號(hào)，記錄下入孔內(nèi)的每根管材的長度及位置。并核對下入孔內(nèi)的井管數(shù)量及下入深度與設(shè)計(jì)是否相符。

3.2 固井

對下入護(hù)壁管管外都使用普通硅酸鹽42.5 號(hào)袋裝水泥進(jìn)行永久止水（表3），水泥漿密度在1.70~1.85 g/cm3，井管外水泥漿返到地表。

表3 固井水泥用量Table 3 Cementing cement consumption

4 結(jié) 語

L 型地面鉆井技術(shù)工期短、成本低、相對安全可靠。鉆進(jìn)和成井工藝方面滿足了各項(xiàng)指標(biāo)，說明鉆進(jìn)方法合理，鉆進(jìn)參數(shù)選擇適當(dāng)，封孔質(zhì)量良好。此外，建議礦方盡快完善地面管道設(shè)施，盡快投入使用，減少人為和自然破壞的程度或可能性。